鋁合金件金屬型鑄造工藝及設備

1．概述

鋁合金件金屬型鑄造方法由于其生產率高、勞動環境清潔、鑄件表面光潔和內部組織致密等優點而被廣泛應用。尤其是汽車發動機部件，日、美、英、德和意等工業發達國家很多采用金屬型重力澆注方法生產汽車發動機鋁缸體、鋁缸蓋和鋁活塞。近幾年，我國許多廠家也引進先進金屬型設備或自制設備生產汽車發動機缸蓋、進氣管和活塞等鋁鑄件。金屬型鑄鋁技術也廣泛應用于航空、航天、高壓電器、電力機械以及儀器儀表等行業。鋁合金件金屬型鑄造與其他一些鑄造方法（壓鑄、低壓鑄造和砂型鑄造等）相比主要具有如下幾方面的優勢：

1）幾何尺寸和金相組織等綜合質量好。
2）較低壓及高壓鑄造工藝靈活，可生產較復雜鑄件。
3）更有利于大批量生產，實現高度自動化和簡化維修；在同等生產規模下，與高、低壓鑄造相比，鑄造設備和金屬型等工裝的一次性投資更低。

2．鋁合金件金屬型鑄造工藝技術

（1）鋁合金件金屬型鑄造工藝設計 金屬型鑄造工藝設計關鍵是鑄件澆注位置的確定、澆冒系統的設計和模具工作溫度的控制和調節。

l）鑄件澆注位置。它直接關系到金屬型型芯和分型面的數量、金屬液導入位置、排氣的通暢程度以及金屬型結構的復雜程度等，從而決定金屬型加工和操作的難易程度以及鑄件冷卻溫度分布，進而影響鑄件的生產效率，尺寸精度等內、外質量。因此，鑄件澆注位置是鑄造工藝設計首先考慮的重要環節。

2）澆冒系統。鑄件澆冒系統設計決定鑄件內、外質量。澆冒系統應具有撇渣、排氣和補縮功能，同時應保證鑄件合理的凝固、冷卻溫度場。正確、合理的澆冒系統除憑經驗估算外，附算機數值模擬可直觀地預測鑄件凝固過程溫度場，顯示鑄件可能產生縮松（孔）的危險部位，從而指導工藝設計，并通過調整澆冒系統結構和尺寸、金屬型結構、控制冷卻速度或調整涂料層厚度等手段調節溫度場、消除鑄造缺陷，如采用底注式澆注的汽車發動機鋁缸蓋的毛坯，盡管采取在上部設置幾乎超過鑄件重量的大冒口和底部強制通水冷卻的工藝措施也難以調整合理的順序凝固的溫度場，難以消除底部內澆口周圍過熱而造成的縮松缺陷。某廠引進法國Sifa公司鋁合金金屬型鑄造機正是采用這種澆冒系統，生產工藝不穩定。百分之百的缸蓋需浸滲，對于縮松嚴重的缸蓋即使浸滲也滿足不了耐壓要求；而從冒口直接注入鋁液，鋁液經過陶瓷過濾器凈化后進人型腔，保證了鑄件合理的冷卻梯度，即自下而上的順序凝固方式，消除了縮松缺陷，缸蓋成品率顯著提高。英國Foseco公司曾對兩種澆注方法做過詳細的研究和對比試驗工件，并稱后者為DYPUR法。該法使型簡化、緊湊，節省鋁液，鑄件成品率高。采用該法即使由于鋁液有較高落差造成的少量夾雜缺陷，對鑄件的力學性能和氣密性影響也不大。當然，澆冒系統的開設位置、結構和尺寸大小除考慮鑄件凝固溫度場外，還需兼顧型復雜程度，金屬液充型是否平穩，是否具有撇渣和排氣等功能。

3）金屬型工作溫度。同樣，金屬型工作溫度和各部分的溫差對鑄件的冷卻溫度場有著重要的作用。對金屬型局部過熱區域強制水冷和風冷是為了保證該區域保持正常的工作溫度，提高生產效率，同時消除過熱，保證正常的冷卻溫度場。金屬型工作溫度控制比較先進和有效手段是控制冷卻水出口溫度，出口溫度靠冷卻循環水循環速度調節。如意大利Fata公司和法國Sifa公司設計制造的金屬型都有先進的水、風冷卻裝置。此外，對于局部厚大熱節部位還可鑲嵌熱導率高或蓄熱量大的金屬嵌塊或調節涂料層厚度和涂料種類以保證鑄件形成合理的冷卻溫度梯度，消除局部縮松（孔）缺陷。

（2）鋁合金金屬型設計及材料

1）金屬型設計及制造。好的金屬型設計和制造技術是滿足工藝設計、適應大批量、高質量鑄件生產的關鍵。金屬型設計主要包括金屬型結構、排氣系統、鎖緊機構，冷卻系統、連接機構以及鑄件頂出機構。合理的鑄造工藝和金屬型設計只有通過先進的金屬型加工制造技術來體現。

2）金屬型材料。適宜制造金屬型的材料應具有足夠的高溫強度、一定的熱穩定性和熱疲勞強度以及足夠的強韌性。國內一般用鑄鐵、鑄鋼和銅合金作為鋁合金金屬型模具材料，平均壽命10000～50000次左右；發達國家普遍采用美國鋼鐵學會（AISI）分類的H-13，相當于國內4CrMoVSi鋼。這種鋼具有較高的熱強度和硬度，還具有較高的耐磨性和韌性，用它作模具，其鑄件尺寸穩定、模具壽命長，一般大于100000次。當然，模具的壽命除與材質有關外，還與模具結構、鑄造合金的材料、操作和管理等因素有關。

3．鋁合金金屬型鑄造設備及自動化
（1）金屬型鑄造設備 金屬型鑄造機按用途可分為專用金屬型鑄造機和通用金屬型鑄造機；按動力可分為手動、氣動、電動和液壓金屬型鑄造機。國外一些鑄造設備廠按產品和用戶的要求研制出許多專用金屬型鑄造機，如鋁缸蓋、鋁缸體、鋁活塞、鋁進氣歧管等金屬型鑄造機。制造鋁合金金屬型鑄造機著名的有意大利的Fata公司，法國的Sifa公司等。中國近幾年有二十多個廠家陸續從國外引進鋁合金金屬型鑄造機和工藝技術，為國內外配套生產汽車鋁合金鑄件。上海汽車有色鑄造總廠引進Fata公司金屬型鑄造機生產桑塔納轎車發動機鋁缸蓋，一汽輕型發動機廠引進Sifa公司設備生產CA488型汽車發動機缸蓋。

（2）金屬型鑄造自動化生產線 金屬型鑄造自動化生產線包括：金屬液熔化及傳送設備、澆注機、金屬型鑄造機、下芯和取件機械手、金屬型涂料涂敷機、鑄件傳輸及澆冒口切除機、熱處理設備和爐前快速檢測儀器等。自動化生產線適用于專業化生產，可高效清潔地生產大批量優質鑄件。